基于變頻器的大型海工絞車電控設計

俞曉豐，王偉（武漢船舶職業技術學院，湖北武漢430070）

基于變頻器的大型海工絞車電控設計

俞曉豐，王偉
（武漢船舶職業技術學院，湖北武漢430070）

介紹了一種大型電動絞車變頻驅動控制系統。絞車配備于SSCV船（半潛式平臺）上，為半潛式平臺進行安全起拋錨和平臺移動等工作而設計。針對絞車驅動功率大，調速功能要求高的特點，控制系統介紹了變頻器加可編程運動控制卡的選型和參數設計，并給出編程實現及試驗數據。

變頻器；絞車；運動控制

0　概述

考慮到ABS規范要求，大型絞車對船體電站影響應能滿足電壓諧波分量不超過5%的要求。如果超過5%，所有設備應能在該諧波下正常工作。系統選用丹佛斯FC302變頻器加運動控制卡進行電控設計以滿足功能要求。

大型電動絞車自動化程度高，無級調速范圍廣，控制策略靈活方便，大幅提高絞車的使用性能。系統設計、制造、現場裝船調試、后期維護過程中，衛生方便，功能友好，是未來大型海工設備的重要發展方向。

1　系統結構及功能參數

1.1絞車驅動系統結構

設備為變頻電機驅動，主要由執行機構、分體式排纜裝置及垂直導纜器、液（氣）壓系統、電控系統等部分構成。鋼絲繩通過籬笆式卷筒進行纏繞；分體式排纜裝置及垂直導纜器安裝在平臺下方。

執行機構傳動過程：由電動機通過聯軸器帶動減速器，減速器動力傳遞到驅動軸上的離合器，通過離合器驅動小齒輪，通過齒輪副驅動滾筒。減速器分二檔變速，通過電機變頻操作實現三速傳動。驅動結構示意圖如圖1所示。

1.2主要性能參數

絞車電機配置及拖動控制性能參數如表1所示。

2　電氣控制性能及關鍵技術分析計算

2.1主要電氣控制性能

本絞車采用變頻無極調速控制，通過變頻器改變輸入電動機電源的頻率，能夠使變頻電動機在2倍額定速度內進行無極調速。該絞車系統在運行中所具有的性能如下：

（1）兩臺設備同時運行時，所產生的電壓諧波在船上提供的供電系統中不超過5%；

表1　絞車配置參數

（2）絞車在0速到2倍速度運行時運行平穩，不會產生異常振動和嘯叫；

（3）絞車能夠在額定負載下進行上升和下降運行。

2.2關鍵技術分析

ABS規范中，對諧波要求是針對船體電站提供的電源應能滿足電壓諧波分量不超過5%，如超過5%，所有設備應能滿足在該諧波下正常工作。現階段變頻系統諧波控制的方法主要有以下幾種[2]：

（1）在變頻器前端增加交流電抗器；

（2）在變頻器前端增加直流電抗器；

（3）在變頻器前端增加無源濾波器；

（4）在變頻器前端增加有源濾波器；

（5）使用12脈或18脈的變頻器進行整流（低功率時一般沒有多脈沖變頻器）；

（6）直接使用低諧波變頻器。

以上所述方法在相同的條件下，性能逐漸增強，價格成倍上升。考慮到其抑制諧波的效果互有優劣，其成本相差極大。使用交流電抗器的成本最低，但其效果最差。低諧波變頻器效果最好，成本最高。

經過綜合比較在設計時選擇了具有內置直流電抗器，且能保證滿足ABS規范諧波電壓含量要求的DANFOSS變頻器。

2.3變頻器選型參數計算

本項目中變頻器應用工況為提升工況，電機的技術數據是連續恒定負載下的額定數據，但是在絞車工作周期中，在纜繩處于最外層時要求滿足規格書規定的負載與速度技術要求，則電機會有短時1.1倍的過載工況，因此變頻器的額定電流應大于電機最大工作電流，變頻器的額定電流按照以下公式計算：

變頻器的輸出容量按照以下公式計算：

其中：PCN變頻器的輸出容量；

IN：變頻器的額定工作電流；

IMmax電動機的最大工作電流；

K：電流波形的修正系數（PWM方式取1.1）；

K1：電機電流過載倍數（根據總體要求取1.1）；

I1：電機額定工作電流；

U1：電機額定工作電壓。

計算結果如下：

K=1.1；K1=1.1；U1=440；I1=577；

K=sqrt(3)；Pcn=k·U1·I1·K·K1·0.001；

Imax=698.2 A；Pcn=532 kVA。

選擇變頻器型號如表2。

表2　變頻器型號參數

3　絞車變頻控制系統硬件設計及軟件實現

絞車操控模式為遠程電、液、氣操控。電控系統采用PLC控制器，通過采集和分析壓力、速度、溫度、位移等傳感器的信號，實現對絞車的監測、控制和保護功能。絞車變頻控制部分主要由FC302變頻器和MCO305運動控制卡組成。

變頻器使用MCT10設置軟件進行遠程設置。可以將PC連接到變頻器并執行實時編程，而無需使用LCP。此外，也可以用離線方式執行所有變頻器編程，然后只需將其下載到變頻器中即可。可以用USB連接器來連接變頻器[3]。

MCO305可以使用APOSS軟件進行編程。當MCT10建立起與變頻器的連接時，APOSS會使用MCT10已建立的變頻器連接。不論以聯機方式還是以脫機方式使用MCT10，APOSS都將以獨立模式工作。

3.1變頻控制電路設計

絞車變頻器部分硬件結構如圖2所示，主要包含以下功能：主電機使用編碼器進行轉數讀取，熱敏保護（PTC）；絞車手柄通過端子53、55給定模擬量信號，控制絞車提升，下降速度。同時，使用繼電器開觸點K11、K12聯鎖控制絞車提升，下降運動；繼電器開觸點K4、K5控制點動的上升與下降運動；絞車閘瓦的制動控制通過MCB112端子排X44的1、2號端子實現；絞車的安全保護控制，涉及主電機的過載報警，錯誤報警，安全停車。

其中由于變頻器基本點功能有限，點動上升與下降通過MCO對端點2、3進行編程實現。同時，MCO305端子排X57上1號端子同時給予安全停車信號。安全停車端子與緊急停止繼電器K7的常閉輔助觸點進行串聯設計。

3.2系統參數編程

（1）變頻器控制算法參數設計

變頻器根據應用配合變頻電機編碼器選擇使用高精度的速度與轉矩閉環控制。MCT10中設置軟件參數設置如表3所示。

變頻器中電機主要參數設置如表4所示。

圖2　變頻器配置及接線圖

絞車上升與下降運動過程主要是大慣性工作，根據本設備特點，絞車速度上升與下降過程使用線性變化過程，但是線性變化過程緩沖時間設置為5秒。運動過程具體參數如表5所示。

（2）MCO運動控制卡編程實現

MCO305控制點功能編程如表6所示。

APOSS軟件編程具體源代碼如下：

motoroff

main:

if(getvlt 1690)==0 then//參數16-90故障字，如果故障字為零的時候，沒有故障輸出，否則有故障輸出

表3　變頻器控制算法參數

表4　變頻電機相關參數設置

表5　運動過程控制參數設置

表6　接口功能表

out1 0

else

out1 1

endif

if in 1==0 then//如果端子37為低電平，有過熱輸出，否則沒有

out2 1

else

out2 0

endif

if in 2==1 and in 3==0 then outan 0x800

setvlt1300 1

endif

if in 2==1 and in 3==1 then

outan-0x800

setvlt1300 1

endif

if in 2==0 and in 3==0 then

outan 0x0

setvlt1300 0

endif

gotomain

4　結束語

電動變頻絞車出廠前須進行機、電、液、氣聯調試研，分別完成空載試驗和180 t額定負載試驗，并確認設備的系統監測功能、控制功能。

先用低速正反空載運轉各5分鐘，確認功能設計的完善性。以滾筒部分額定負載1 800 kN為最終加載標準，調整加載重塊按額定負載的25%、50%、75%、100%為順序加載。

測量、檢查及記錄各部件運轉是否正常，有無異常發熱、異常振動。滾筒負載運轉時速度、壓力、溫度、軸承位溫升以及檢測監測系統、控制系統的各種數據[4]。

試驗過程中，當負載力達到175 t時，變頻器顯示電流578 A，轉矩118℅。各項技術參數及性能指標達到設計要求，滿足用戶的使用要求。

［1］李發海.電機與拖動基礎：第4版［M］.北京：清華大學出版社，2012.

［2］阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［3］劉志剛，楊伯軍.基于PLC的倉庫橋式起重機變頻控制系統［J］.機電工程，2013（06）：725-728.

［4］GB/T 11869-2007.遠洋船用拖拽絞車［S］.

(編輯：阮毅)

VFD ControlDesign of LargeM arine EngineeringW inch

YUXiao-feng，WANGWei
（Wuhan Instituteof Shipbuilding Technology，Wuhan430070，China）

This paper introduces a largeelectric VFD control system of winch.Winch is equipped on SSCV ship(semisubmersible platform),for heaving anchor and movingwork platform in security.According to heavy load and high requirements of speed control function,the project introduced a kind of control system，which is consistsof VFD andmotion control card.Electric control structure and software program based on VFD are provided in the paper.

VFD；winch；motion control

TN77 TP27

A

1009－9492(2015)04－0026－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.007

2015－01－13

俞曉豐，男，1984年生，浙江金華人，碩士，工程師。研究領域：機電控制與自動化技術。已發表論文2篇。